Un groupe de physiciens affirme avoir mis au point une technique permettant de contrôler les systèmes quantiques pour que leurs comportements se déroulent à rebours dans le temps et non vers l’avant. La technique permettrait de reproduire expérimentalement une dynamique correspondant à une inversion de la « flèche du temps » dans certains systèmes quantiques, en combinant des mesures et des rétroactions pour générer des trajectoires spécifiques. L’approche pourrait, à terme, permettre de développer des techniques d’extraction d’énergie à partir de systèmes quantiques.
La majorité des processus qui nous entourent et que nous observons suivent une flèche du temps unidirectionnelle et jamais l’inverse. Nous observons par exemple les plantes grandir, les objets se briser, les étoiles mourir en explosant, mais jamais le phénomène inverse. Cela est vrai pour les phénomènes, du moins jusqu’à une certaine échelle.
Les systèmes quantiques, tels que les qubits, obéissent aux lois de la mécanique quantique plutôt qu’à celles de la physique classique. Si les équations fondamentales sont souvent réversibles dans le temps, cela ne signifie pas nécessairement que la flèche du temps est librement modifiable. Leur évolution peut toutefois être décrite par une dynamique inversée dans certaines conditions théoriques.
On désigne les phénomènes qui se produisent causalement dans la nature comme des processus directs, tandis que les phénomènes contraires, tout aussi compatibles avec les lois de la physique, sont appelés processus inverses.
Dans les processus inverses, un système part de l’état final d’un processus direct et évolue sous le même hamiltonien, mais avec des quantités impaires inversées dans le temps. En mécanique quantique, l’hamiltonien est l’opérateur qui gouverne l’évolution temporelle du système et correspond souvent à son énergie totale. Ainsi, lors d’un processus inverse, les quantités de mouvement et les champs magnétiques peuvent par exemple changer de signe, mais pas les positions.
« Contrairement aux phénomènes que nous observons autour de nous, à l’échelle microscopique, la plupart des lois fondamentales de la physique considèrent le mouvement dans le temps, en avant comme en arrière, comme physiquement possible », explique Luis Pedro García-Pintos, physicien au Laboratoire national de Los Alamos, aux États-Unis. « Autrement dit, ces lois de la physique sont symétriques par rapport à l’inversion du temps ; les équations restent valides même si l’on inverse le cours du temps. »
García-Pintos et ses collègues affirment avoir développé un protocole expérimental qui permettrait d’observer ces processus inverses dans un système quantique. « Pour les systèmes quantiques, qui fonctionnent à cette échelle microscopique, les outils que nous avons mis au point permettent de manipuler la perception du temps, ouvrant ainsi la voie à des méthodes inédites et surprenantes pour contrôler ces systèmes », explique le physicien dans un communiqué.
Un protocole de contrôle fondé sur la mesure et la rétroaction
Si, en physique classique, la mesure n’a que peu ou pas d’effet sur l’objet observé, elle peut fortement perturber le système en physique quantique, notamment en modifiant son état de manière aléatoire. Afin de pallier cet effet, l’équipe de García-Pintos a combiné les mesures des systèmes quantiques à des techniques de rétroaction de sorte à générer des trajectoires stochastiques (qui dépendent du hasard ou d’éléments imprévisibles) inversées dans le temps.
D’après les chercheurs, cette approche permettrait aux systèmes quantiques de développer des comportements cohérents avec une flèche du temps inversée. Pour explorer l’approche, l’équipe a utilisé un hamiltonien de contrôle, une séquence précisément planifiée de champs et d’impulsions qui reproduit les effets des mesures quantiques.
Intégré à un système de rétroaction, cet hamiltonien pourrait annuler, amplifier, voire surcorriger les perturbations induites par les mesures. Le système pourrait ainsi générer des trajectoires correspondant à des flèches du temps étirées, floues ou inversées. La technique permettrait aussi de contrôler les flux d’énergie entrant et sortant du système quantique, offrant ainsi potentiellement une stratégie d’extraction d’énergie exploitable qui pourrait par exemple être stockée sur une batterie quantique.
« Ces outils peuvent également émuler la dynamique temporelle inversée des systèmes ouverts et, en modifiant le flux d’énergie entrant et sortant du système, alimenter un moteur de mesure continue qui extrait de l’énergie du processus de surveillance, même dans des conditions réalistes avec des délais de rétroaction », écrivent les chercheurs dans leur étude détaillée dans Physical Review X.
La prochaine étape de la recherche consistera à démontrer expérimentalement l’approche de mesure basée sur l’hamiltonien pour le contrôle par rétroaction sur des qubits supraconducteurs. Ces systèmes quantiques permettraient notamment une rétroaction rapide et une détection efficace. Ces travaux pourraient aussi contribuer au développement de protocoles améliorés pour la préparation d’états quantiques.
Source : Physical Review X
